基于∑-△調(diào)制小數(shù)分頻技術(shù)的頻率合成器MAX2150及其應(yīng)用

　　1 引言

　　小數(shù)分頻(F-N)頻率合成器具有很高的輸出頻率分辨率，即使非常復(fù)雜的合成信號(hào)發(fā)生器也可采用較少的鎖相環(huán)路甚至單環(huán)來實(shí)現(xiàn)。但是，F(xiàn)-N合成信號(hào)的頻譜普遍存在固有且非常嚴(yán)重的相位雜散(又稱為分?jǐn)?shù)調(diào)制或相位調(diào)制)現(xiàn)象。這一問題可以采用∑-△變換較好地加以克服。

　　目前，基于∑-△小數(shù)分頻技術(shù)的頻率合成器專用器件已有多款問世，Maxim公司的MAX2150就是具有代表性的一款頻率合成器。該器件以較高的性價(jià)比廣泛應(yīng)用于無線寬帶系統(tǒng)、衛(wèi)星上行鏈路、無線基站等系統(tǒng)。

　　2 基于∑-△調(diào)制器的小數(shù)分頻(F-N)頻率合成技術(shù)

　　為了較理想地克服相位噪聲的影響，采用過抽樣調(diào)制器。使用多級(jí)量化方法獲得良好的信號(hào)質(zhì)量，這是一種全數(shù)字化的解決方案。普通A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)快速變化的交流信號(hào)的變換性能是由變換時(shí)間和奈奎斯特取樣定理決定。根據(jù)該定理可知，只要取樣頻率大于等于2倍模擬信號(hào)的截止頻率，就可將模擬信號(hào)理想地變換為數(shù)字信號(hào)。但這種方法很難獲得較高的分辨率。

　　∑-△變換采用低分辨率的A/D轉(zhuǎn)換器通過很高的頻率對(duì)輸入信號(hào)過采樣，使得取樣頻率與分辨率一致。然后采用數(shù)字方式處理數(shù)據(jù)流，即獲得更高分辨率的低速率輸出。也就是說，采用一比特量化器，多倍奈奎斯特頻率的速率采樣，可以達(dá)到多比特奈奎斯特速率量化器的效果。這種方式只需少量且簡(jiǎn)單的元件即可實(shí)現(xiàn)，而且魯棒性較好。雖然沒有改變信噪比(SNR)，但噪聲能量分布到更寬的頻率范圍，通過數(shù)字濾波器濾除掉大部分噪聲，從而獲得寬動(dòng)態(tài)范圍。

　　F-N頻率合成器是由鑒相/鑒頻器(PD/PF)、充電泵(CP)、環(huán)路濾波器(LPF)、壓控振蕩器(VCO)、分頻器以及調(diào)制器組成。其中CP可方便地設(shè)置環(huán)路增益，簡(jiǎn)化積分器的實(shí)現(xiàn)(也可不用)，并能夠?qū)⒄`差信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏餍盘?hào)，以驅(qū)動(dòng)環(huán)路濾波器，如圖1所示。

　　∑-△調(diào)制器是由模擬濾波器HCT(s)、A/D轉(zhuǎn)換器(Q為一比特量化器)，以及帶有反饋環(huán)的D/A轉(zhuǎn)換器組成，如圖2所示。一般情況下采用∑-△調(diào)制器，A/D轉(zhuǎn)換器由比較器和觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)。D/A轉(zhuǎn)換器是一個(gè)脈沖成型器，輸出兩個(gè)波形分別為高電平+V、低電平-V。為了方便，兩個(gè)電平進(jìn)行歸一化處理，傳遞函數(shù)H(s)決定了調(diào)制器的階數(shù)?！?△系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上是一種噪聲整形器，對(duì)量化噪聲信號(hào)進(jìn)行處理，使大多數(shù)噪聲能量轉(zhuǎn)移到有用的頻帶之外，并通過濾波去除，從而提高了信噪比。隨著階數(shù)的提高，在f≤fc范圍內(nèi)噪聲得到了明顯抑制，而代價(jià)是在f>fc頻帶內(nèi)量化噪聲功率增加。

　　把量化過程視作加入白噪聲的過程，假設(shè)輸入信號(hào)和量化噪聲互不相關(guān)。在一般情況下，fs>>fc總是成立的，進(jìn)行歸一化使|e(n)|≤1，噪聲功率為σ2e，輸出噪聲功率為σ2N。而對(duì)于一階∑-△系統(tǒng)而言，傳遞函數(shù)為T1(Z)=1-Z-1，輸出噪聲功率為σN2=(3/8)π2σ2(fc/fs)3，由此可知，隨著采樣率每增加1倍，信噪比提高9 dB。

　　3 基于∑-△小數(shù)分頻技術(shù)的頻率合成器MAX2150

　　3.1 引腳配置

　　MAX2150是Maxim公司推出的基于∑-△調(diào)制器的28位小數(shù)分頻技術(shù)的頻率合成器，可應(yīng)用于700 MHz～2 300 MHz頻率范圍。當(dāng)采用10 MHz參考頻率時(shí)，其頻率分辨率優(yōu)于50 MHz。此外，該器件配有I/Q調(diào)制輸入端、50 Ω寬帶輸出驅(qū)動(dòng)放大器、低噪聲晶體振蕩器放大器(當(dāng)采用外部參考振蕩源時(shí)，該放大器可用作緩沖器)，采用標(biāo)準(zhǔn)的3線串行接口實(shí)現(xiàn)合成器的編程和整體配置。當(dāng)輸出信號(hào)電平為-1 dBm時(shí)，MAX2150的載波和邊帶抑制可達(dá)34 dBc。該器件采用+3.0 V電源供電，消耗電流為72 mA。MAX2150的引腳配置如圖3所示，各引腳功能描述如表1所示。

　　3.2 I/Q調(diào)制器

　　MAX2150的I/Q調(diào)制器由匹配雙平衡混頻器、寬帶無源LO正交信號(hào)發(fā)生器及加法放大器組成。混頻器接收差分I/Q基帶信號(hào)并對(duì)內(nèi)部0